玄武巖筋抗拉性能試驗研究

劉 瀟 劉順豐

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010)

0 引言

玄武巖纖維復合筋(BFRP筋)是一種新型復合材料，具有比強度高、耐腐蝕性能好、可設計性強、抗疲勞性能好、耐電磁等獨特優點［1-4］。可以明顯延長腐蝕環境中的水泥混凝土結構壽命，與傳統鋼筋混凝土結構相比具有優異的力學、物理及化學性能。由于其優越性，BFRP筋越來越廣泛的應用在混凝土橋梁結構、道路、碼頭等混凝土結構領域中。但是目前對于BFRP筋的基本力學性能和破壞模式研究較少。本文進行了φ8 mm的BFRP筋的拉伸試驗，觀察了BFRP筋的破壞模式和試驗過程中的現象，測定了其極限抗拉強度、彈性模量和伸長率等力學指標，根據試驗結果繪制了BFRP筋的應力—應變曲線。

1 試驗設計

1.1 BFRP筋試件的設計和制作

本試驗所用玄武巖纖維筋由四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司提供，為了保證玄武巖纖維筋與混凝土有可靠的粘結性能，在筋材表面進行了纏繞噴砂處理。

根據ACI440.3R-04對GFRP和CFRP筋拉伸測試的標準，采用無縫鋼管為套筒，通過試驗測定直徑8 mm BFRP筋的抗拉強度、彈性模量和伸長率，并畫出BFRP筋的應力—應變曲線。

試驗設計了φ8 mm五根試件。作為套筒的無縫鋼管必須具有足夠的長度和壁厚，一定的長度以保證鋼管壁與FRP筋之間粘結應力，一定的壁厚以滿足儀器在試件端部產生的壓應力。本試驗中所用鋼管的壁厚為3 mm，長度150 mm，鋼管直徑為FRP筋直徑+4 mm。具體的分組情況和試件長度見表1。

表1 試件分組表

試驗中粘結介質采用環氧樹脂AB膠，AB組分按1∶1配制。試件制作時按下列步驟進行:

1)鋼管處理:對鋼管內壁進行除銹處理，將長度為150 mm的無縫鋼管的一端使用橡膠墊密封，保證在灌膠過程中，膠體不會從該端流出。

2)灌膠:將配制好的膠體灌入鋼管，灌入的膠體須保證密實，不能夾雜過多的氣泡。

3)插筋:將BFRP筋緩慢旋入鋼管內，及時擦去管壁的膠體。

4)固化:將一端灌膠完畢的BFRP筋垂直放置5 h～7 h，使環氧樹脂初步固化，達到一定粘結強度后，再按相同方法灌注另一端。兩端均完成后，需將其置于溫度高于20℃的環境下7 d～10 d，可達到拉伸測試的要求。

1.2 試驗儀器及步驟

拉伸試驗機采用微機控制電液伺服萬能試驗機，最大量程為300 kN，應變片選用BX120-5AA，靈敏系數(2.08±1)%，應變測試系統采用DH3820靜態應變儀，配套游標卡尺和引伸計。

具體試驗步驟為:

1)粘貼應變片、調試儀器等試驗前準備工作。2)將拉伸試件裝在壓力試驗機上，連接應變測試系統和引伸儀。3)采用分級加載，設定每級荷載為5 kN，加載到每級荷載值停頓10 s，記錄每級荷載下的應變值，并觀察過程的試驗現象。4)加載至試件破壞，記錄最大荷載值及試件的破壞模式。5)測定試件的拉伸強度、彈性模量并繪制應力—應變曲線。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象與破壞模式

φ8 mm BFRP筋拉伸試件在試驗過程中發生的破壞模式主要有兩種:FRP筋拉散破壞(4根試件)和端頭鋼套筒滑移破壞(1根試件)。試驗過程具體現象:

1)FRP拉散破壞:荷載加載到5 kN～8 kN左右時，試件開始傳出細微的響聲，加載至45 kN～50 kN左右時，試件傳出劇烈的“噼啪”聲，BFRP筋表面已經能看到纖維束拉斷脫落，直到極限荷載時纖維束在中間段拉毛分散至斷裂破壞，見圖1。

圖1 FRP拉散破壞

2)端頭套筒滑移:荷載加載到8 kN左右時，試件開始傳出細微的響聲，加載至41 kN左右時，端頭開始出現滑移，最后由于滑移過大而中斷加載，見圖2。套筒滑移并非FRP筋材自身破壞，此破壞時的極限承載力不能參與筋材的力學性能指標計算。由于纖維與樹脂變形不同以及筋材中纖維束張拉松緊狀態不完全相同，受力后不斷有纖維絲斷裂發出的響聲，加之變形不同還會引起FRP筋表面噴砂剝落，混雜在一起形成試驗過程中不間斷的“噼啪”聲。

2.2 力學性能

通過試驗測定數據按照下列方法計算BFRP筋的抗拉強度、彈性模量和伸長率。

抗拉強度按式(1)計算:

其中，fu為抗拉強度，MPa;Fu為試驗測得BFRP筋的最大拉力，N;A為BFRP筋的橫截面面積，mm2。

彈性模量按式(2)計算:

其中，E為彈性模量，MPa;ΔF為0.4Fu，N;Δε為對應60%Fu和20%Fu的應變差值，無量綱。

伸長率按式(3)計算:

其中，δ為伸長率，%。

根據拉伸試驗所測數據，按照式(1)～式(3)計算抗拉強度、彈性模量和伸長率等指標，將BFRP筋的試驗結果匯總于表2。

表2 BFRP筋的力學性能指標

由表2可知，BFRP筋抗拉強度約為HPB300級鋼筋(屈服強度fy=270 MPa)的4倍，彈性模量約為HPB300級鋼筋(彈性模量E=200 GPa)的1/4，BFRP筋的伸長率約為1.8%。BFRP筋彈性模量小，拉伸時變形較大，這也是FRP筋作為結構構件受力筋時，構件產生較大撓度和裂縫寬度的原因。

根據拉伸試驗試件受力全過程實測結果，取試驗結果的平均值，繪出BFRP筋試件典型應力—應變關系曲線，如圖3所示。

圖2 鋼套筒滑移

圖3 φ8 mm BFRP筋應力—應變曲線

由圖3可見，BFRP筋從開始受荷到完全破壞的受力過程中，應力—應變關系近似為一條斜直線，破壞時沒有預兆，BFRP筋突然斷裂，無類似鋼筋的屈服平臺，破壞形式為脆性破壞。

3 結語

采用電液私服萬能儀對玄武巖纖維筋進行拉伸試驗。BFRP筋在試驗過程中主要發生的是拉散破壞，少許試件發生了端頭鋼套筒滑移破壞和BFRP端頭區域拉斷。端頭鋼套筒滑移并非筋材自身破壞。BFRP筋端頭區域拉斷破壞部位不在試件中間段，只有BFRP筋拉散破壞是較為理想的破壞模式。在試驗過程中，當力加載破壞荷載10%左右時，BFRP筋試件會開始發出細小響聲，加載至破壞荷載90%左右時，試件傳出劇烈的“噼啪”聲，BFRP筋表面已經能看到纖維束拉斷脫落，有些細小纖維絲甚至飛濺出來，飄在空中或散落地面，直到極限荷載時纖維束在中間段拉毛分散至斷裂破壞。“噼啪”聲是纖維絲斷裂、樹脂和噴砂剝落的聲音。BFRP筋應力—應變曲線呈直線，破壞時沒有預兆，沒有屈服平臺，是一種典型的脆性材料。

［1］梁莉莉.FRP筋混凝土梁的試驗研究與數值模擬［D］.西安:西安建筑科技大學碩士論文，2011.

［2］薛偉辰，康清梁.纖維塑料筋FRP在混凝土結構中的應用［J］.工業建筑，1999，29(2):19-21.

［3］薛偉辰.混凝土結構中新型配筋FRP的試驗研究［R］.南京:河海大學博士后研究工作報告，1997.

［4］朱 虹，錢 洋.工程結構中FRP筋的力學性能［J］.建筑科學與工程學報，2006，23(3):26-31.